摘要：為了解決ZigBee無(wú)線抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集發(fā)送集成度不高、設(shè)備繁瑣等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)ZigBee無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的研究和對(duì)當(dāng)前無(wú)線抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的分析，設(shè)計(jì)出一種基于ZigBee的電表數(shù)據(jù)收發(fā)終端。該終端主要是將MCU系統(tǒng)和RF CC2430無(wú)線射頻芯片相結(jié)合，包括數(shù)據(jù)接收、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送和電源三個(gè)硬件電路部分，完成對(duì)電表數(shù)據(jù)的接收和無(wú)線發(fā)送，重點(diǎn)闡述該終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程。通過(guò)對(duì)其在無(wú)線抄表系統(tǒng)中檢測(cè)，接收發(fā)送數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。實(shí)踐表明，該終端可作為一個(gè)通用模塊應(yīng)用到其他無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可移植性的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：ZigBee；ATmega64L；CC2430；無(wú)線抄表；RS 485

0 引言
    隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的不斷興起，由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)極大的優(yōu)越性，使得越來(lái)越多的行業(yè)有線產(chǎn)品和技術(shù)被無(wú)線替代，在我國(guó)，自動(dòng)無(wú)線抄表技術(shù)(AMR)作為一種新型的抄表技術(shù)，具有易操作，成本低，不入戶等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee作為一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有功耗低、速率低、可靠性高、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)工作于國(guó)際免費(fèi)頻段，相比其他無(wú)線技術(shù)的較高網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，大大降低了成本，很適合應(yīng)用于自動(dòng)無(wú)線抄表系統(tǒng)中。本文所設(shè)計(jì)終端是無(wú)線抄表中的重要一部分，數(shù)據(jù)收集主要采用RS 485總線和MCU控制模塊，無(wú)線發(fā)送部分采用ZigBee無(wú)線通信模塊。

1 ZigBee協(xié)議分析
    ZigBee協(xié)議棧依次從最底層開(kāi)始由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由IEEE 802．15．4工作組制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。物理層定義了3種流量等級(jí)：當(dāng)頻率采用868 MHz時(shí)，提供20 Kb／s的傳輸速率；當(dāng)采用915MHz時(shí)，提供40 Kb／s的傳輸速率；當(dāng)采用2．4 GHz時(shí)，能夠提供250 Kb／s的傳輸速率，在我國(guó)采用的是這種免費(fèi)頻段。數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層(MAC)，其功能包括數(shù)據(jù)包的分段與重組，數(shù)據(jù)包的順序傳輸，無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除，確認(rèn)模式的幀傳送和接收，信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理等。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾?、MAC管理、路由管理和安全管理。應(yīng)用層是協(xié)議棧的最上層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)中主要涉及ZigBee網(wǎng)路中數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，也可作為網(wǎng)絡(luò)路由器應(yīng)用。

2 無(wú)線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端總體設(shè)計(jì)
    RS 485總線具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，可以進(jìn)行多點(diǎn)和雙向通信，允許在一對(duì)雙絞線上驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)收發(fā)器管理多個(gè)用戶電表?；赗S 485總線電表簡(jiǎn)單易操作，成本低，市場(chǎng)上很多都是采用RS 485智能電表，該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用。無(wú)線Zig-Bee模塊通過(guò)SPI接口接收來(lái)自微控制器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送出去。
    無(wú)線抄表數(shù)據(jù)收發(fā)終端在整個(gè)抄表系統(tǒng)中扮演的是路由和終端的角色，是一種全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是：通過(guò)RS 485總線將電表數(shù)據(jù)收集，然后通過(guò)MCU電路處理，通過(guò)RS 232，SPI接口發(fā)送到ZigBee無(wú)線通信模，塊，最后利用無(wú)線通信模塊發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 收發(fā)終端硬件設(shè)計(jì)
    該終端系統(tǒng)主要包括：電表數(shù)據(jù)收集電路、無(wú)線發(fā)送電路和電源電路3部分。
    (1)電表數(shù)據(jù)收集電路主要是MCU控制電路，處理RS 485發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。主要有MCU芯片，RS 485控制芯片、光耦隔離器、時(shí)鐘電路、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。
    (2)無(wú)線發(fā)送電路主要是通過(guò)SPI接口接收MCU的處理數(shù)據(jù)，通過(guò)RF射頻天線發(fā)送。
    (3)電源電路主要是完成將交流220 V電壓轉(zhuǎn)化成直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓等完成對(duì)系統(tǒng)的供電。主要由小型變壓器、熱敏電阻、壓敏電阻器、穩(wěn)壓芯片等構(gòu)成。
    系統(tǒng)主要器件選型：
    MCU：選用Ateml公司的ATmega 64L芯片，是一款基于支持實(shí)時(shí)仿真的高性能、低功耗的8位RISC結(jié)構(gòu)的AVR微控制器。帶有64 KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，4 KB的片內(nèi)SRAM，64 KB可選外部存儲(chǔ)空間，32個(gè)通用寄存器，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器(RTC)，4個(gè)具有比較模式與PWM的靈活定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)，2個(gè)USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，8路10位具有可選查分輸入級(jí)可編程增益的ADC，看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SPI接口，JTAG接口，以及6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式，滿足無(wú)線抄表系統(tǒng)中對(duì)可靠性和功耗的要求。
    ZigBee芯片：選用TI公司的CC2430 RF，其是一顆真正的系統(tǒng)芯片，提倡CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并能滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4GHz ISM免費(fèi)波段的應(yīng)用，同時(shí)滿足低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，收發(fā)波特率250 Kb／s。CC2430在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合無(wú)線抄表這種要求電池壽命比較長(zhǎng)的應(yīng)用。接收數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)CC2430全部收到幀開(kāi)始定界符SFD后，IRQ_SFD(中斷標(biāo)志位寄存器)置1；當(dāng)RXFIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，RFSTATUS．FIFO置1，數(shù)據(jù)為空時(shí)，置0；當(dāng)RXFIFO中未讀過(guò)的字節(jié)超過(guò)編程設(shè)置在IOCFG0．FIFOP_THRRF_P的閾值時(shí)，RFSTATUS．FIFOP置1，反之，置0。RF_N兩個(gè)引腳顯示接收和發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，RF_P引腳：接收時(shí)，正RF(射頻)輸入信號(hào)到LNA(低噪聲放大器)；發(fā)送時(shí)，接收來(lái)自PA(功率放大器)的正RF(射頻)信號(hào)。RF_N引腳：接收時(shí)，負(fù)RF(射頻)輸入信號(hào)到LNA(低噪聲放大器)；發(fā)送時(shí)，接收來(lái)自PA(功率放大器)的負(fù)RF(射頻)信號(hào)。CC2430通過(guò)SPI接口接收ATmega64L的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，
由內(nèi)部集成的8051核完成數(shù)據(jù)信號(hào)的處理和輸入／輸出操作，從而完成電表數(shù)據(jù)的傳輸。
    片外FLASH：用來(lái)存儲(chǔ)電表數(shù)據(jù)，選用金士頓1 GB SD卡，由于電源電路的輸出電壓為5 V，而SD卡需3．3 V供電，所以要將電壓轉(zhuǎn)換，用SE8117T33輸出3．3 V電壓，接到SD卡VDD引腳上。
    時(shí)鐘芯片：選用Philips公司的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563T，是一種低功耗CMOS時(shí)鐘芯片，提供一個(gè)可編程輸出、終端輸出和掉電檢測(cè)器，所有地址和數(shù)據(jù)都通過(guò)I2C總線接口串行傳輸，得到最大的總線傳輸速度。
    光電耦合器：選用本系統(tǒng)選用3個(gè)PC817光電耦合器，用來(lái)隔離上下級(jí)電路，減小電路干擾，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。PC817是一種單通道線性光耦，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓和電流信號(hào)。
    穩(wěn)壓芯片：選用L7805CV，是電源電路設(shè)計(jì)中常用的性能很好的穩(wěn)壓芯片。該設(shè)計(jì)中MCU控制電路和電源電路都用到穩(wěn)壓芯片，是電路能得到穩(wěn)定的5 V電壓。電源電路原理圖如圖2所示。

    圖2中R1電阻選用MYG 10K471壓敏電阻器，主要做保護(hù)電路器件。

4 軟件設(shè)計(jì)流程
    該系統(tǒng)軟件主要是MCU控制電路的初始化程序設(shè)計(jì)，ZigBee無(wú)線模塊的初始化、接收和發(fā)送程序設(shè)計(jì)，初始化程序主要是對(duì)單片機(jī)、RF芯片、SPI等進(jìn)行初始化；SPI初始化程序如下：
   
    MCU系統(tǒng)所采集電表數(shù)據(jù)將通過(guò)單片機(jī)RS232接口、SPI接口送至射頻發(fā)送模塊，然后輸出。路由設(shè)備或協(xié)調(diào)器設(shè)備接收數(shù)據(jù)并處理。收發(fā)終端軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文采用MCU和RF射頻模塊設(shè)計(jì)出在ZigBee無(wú)線抄表中的電表數(shù)據(jù)采集發(fā)送終端系統(tǒng)，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可作為一個(gè)整體功能模塊應(yīng)用于其他無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，如家用水表，智能家居等方面，在試驗(yàn)使用過(guò)程中抄表數(shù)據(jù)可靠，無(wú)丟數(shù)據(jù)現(xiàn)象，現(xiàn)在的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都有一定的距離要求，在此模塊上加上RF放大模塊，可增大傳輸距離，但效果不明顯，利用無(wú)線路由器和定向增益天線可解決這一問(wèn)題，可完全滿足局域距離要求，且可作為集成模塊應(yīng)用到其他無(wú)線傳輸系統(tǒng)中，通用性和可移植性增強(qiáng)。